La Universidad de Tecnología de Graz en Austria ha puesto en marcha el laboratorio Christian Doppler (CD) dedicado a la investigación de baterías de estado sólido. El foco de su trabajo se centrará en la reducción de la resistencia que opone el electrolito al desplazamiento de los iones por su interior, cuando viajan de un electrodo a otro, lo que provoca pérdidas importantes de rendimiento. La solución es emplear una combinación de electrolitos de cerámica, que ofrecen alta conductividad y estabilidad termodinámica, y de polímero, que es una material muy fácil de procesar, en combinación de una recarga por pulsos.

En los últimos años, las baterías de electrolito sólido se han convertido en una de las tecnologías que han sido objeto de una intensa investigación. El objetivo del nuevo laboratorio es adecuar la tecnología de las baterías de electrolito sólido para su aplicación real en vehículos eléctricos. Con ellas es posible alcanzar densidades de energía y potencia mucho más altas que las que se obtienen de baterías de iones de litio convencionales con electrolito líquido, con el beneficio adicional de ser mucho más seguras, ya que se evita todo riesgo de incendio. “Las baterías de estado sólido serán un paso gigante hacia la movilidad eléctrica”, asegura Daniel Rettenwander del Instituto de Química y Tecnología de Materiales de la Universidad de Tecnología de Graz.

Para lograr que los iones viajen de un electrodo a otro a través de un material sólido (o semisólido) se han desarrollado materiales que tienen una conductividad iónica similar a la de los electrolitos líquidos. Sin embargo, en los electrolitos en estado sólido desarrollados hasta ahora para las baterías de iones de litio se ha revelado un problema importante: la alta resistencia que se desarrolla en las interfaces, la frontera entre el material de los electrodos y los electrolitos. Esta circunstancia impide que el transporte de iones entre los electrodos se realice de manera rápida, lo que conduce a una pérdida significativa de rendimiento. En la mayoría de los casos, el problema se encuentra en la interfaz entre el electrolito sólido y el material del electrodo y entre las partículas del propio electrolito.

El nuevo Laboratorio Christian Doppler fue inaugurado el 12 de noviembre de 2020 y cuenta con un presupuesto de dos millones de euros para los próximos siete años. Su objetivo es dar un nuevo impulso para acelerar el viaje de los iones resolviendo estos inconvenientes. Su fuente de financiación pública más importante es el Ministerio Federal de Asuntos Digitales y Económicos (BMDW) austríaco.

Las baterías de electrolito sólido prometen revolucionar la movilidad eléctrica.

La resolución del problema de las baterías de electrolito sólido

El principal problema que afecta a las baterías de estado sólido es debido a la escasa o nula homogeneidad entre las superficies de contacto. A velocidades de corriente muy elevadas, la consecuencia es que se producen picos de corriente locales, lo que significa que los iones de litio ya no tienen tiempo suficiente para distribuirse uniformemente en la interfaz. En el caso de la interfase formada entre litio metálico y los electrolitos sólidos, esto conduce a la formación de dendritas, que crecen a través del electrolito y, en el peor de los casos, provocan cortocircuitos y sobrecalentamientos de las baterías.

Otras razones que actualmente también dificultan el camino del desarrollo de este tipo de baterías es la pérdida de contacto debida al cambio de volumen del material del cátodo durante los procesos de carga y descarga la descomposición electroquímica del electrolito en estado sólido a altos voltajes de celda debido a la inestabilidad termodinámica.

Según Rettenwander, su equipo se centrará en diferentes estrategias para solventar estos problemas. En primer lugar, la distribución de la densidad de corriente en las interfaces se puede homogeneizar mediante la introducción de capas intermedias con propiedades de transporte de litio finamente ajustadas. Además, se probarán métodos de carga alternativos, por pulsos, en lugar de la corriente continua, para lograr una deposición de litio homogénea.

Empleando una combinación de electrolitos de cerámica y de polímero es posible reducir el peso y al mismo tiempo compensar la pérdida de contacto debido a la expansión del material del cátodo durante la carga y descarga, logrando baterías más ligeras, que proporcionan una mayor densidad de energía. Esta combinación supondría emplear “lo mejor de ambos mundos (sólido y líquido): la alta conductividad y estabilidad termodinámica de los electrolitos cerámicos, combinados con las excelentes propiedades mecánicas, y la fácil procesabilidad de los electrolitos a base de polímeros”. Además, para que el transporte de los iones se produzca de forma suave se requieren modificaciones de la superficie para mejorar la unión entre la cerámica y el polímero, ya que “esta estructura crea una nueva interface entre cerámica y polímero, que evita el transporte de iones entre los componentes”.

En contraste con las baterías de litio-aire y otro tipo de tecnologías de baterías experimentales, el desarrollo de baterías de estado sólido está relativamente avanzado. Todavía pasará algún tiempo antes de que estén listas para su uso vehículos eléctricos y por ahora solo se encuentran en funcionamiento en dispositivos electrónicos. “Estamos trabajando a toda velocidad en soluciones sostenibles en este laboratorio de CD y, por lo tanto, nos vemos como una plataforma de lanzamiento esencial para la próxima generación de sistemas de almacenamiento de energía”, concluye Rettenwander.